Индукционный нагрев — это процесс нагрева электропроводящих материалов, а именно металлов или полупроводников, посредством электромагнитной индукции посредством передачи тепла , проходящего через индуктор , который создает электромагнитное поле внутри катушки для нагрева и, возможно, плавления стали, меди, латуни, графита. , золото, серебро, алюминий или карбид.
Важной особенностью процесса индукционного нагрева является то, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не внешним источником тепла за счет теплопроводности. Таким образом, объекты могут нагреваться очень быстро. Кроме того, не требуется никакого внешнего контакта, что может быть важно в случае загрязнения. Индукционный нагрев используется во многих промышленных процессах, таких как термообработка в металлургии , выращивание кристаллов Чохральского и зонное рафинирование, используемое в полупроводниковой промышленности, а также для плавки тугоплавких металлов , требующих очень высоких температур. Его также используют в индукционных плитах .
Индукционный нагреватель состоит из электромагнита и электронного генератора , пропускающего через электромагнит высокочастотный переменный ток (AC). Быстропеременное магнитное поле проникает в объект, создавая внутри проводника электрические токи , называемые вихревыми токами . Вихревые токи проходят через сопротивление материала и нагревают его за счет джоулевого нагрева . В ферромагнитных и ферримагнитных материалах, таких как железо , тепло также выделяется за счет потерь на магнитный гистерезис . Частота электрического тока, используемого для индукционного нагрева, зависит от размера объекта, типа материала, соединения (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.
Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать соответствующий предмет для таких применений, как закалка поверхности, плавление, пайка и пайка, а также нагрев до подгонки. Из-за своей ферромагнитной природы железо и его сплавы лучше всего реагируют на индукционный нагрев. Однако вихревые токи могут генерироваться в любом проводнике, а магнитный гистерезис может возникать в любом магнитном материале. Индукционный нагрев использовался для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов), а также газообразных проводников (например, газовой плазмы — см. Индукционно-плазменная технология ). Индукционный нагрев часто используется для нагрева графитовых тиглей (содержащих другие материалы) и широко используется в полупроводниковой промышленности для нагрева кремния и других полупроводников. Индукционный нагрев с частотой сети (50/60 Гц) используется во многих недорогих промышленных приложениях, поскольку инверторы не требуются.
Индукционная печь использует индукцию для нагрева металла до точки плавления. После расплавления высокочастотное магнитное поле также можно использовать для перемешивания горячего металла, что полезно для обеспечения полного смешивания легирующих добавок с расплавом. Большинство индукционных печей состоят из трубы медных колец с водяным охлаждением, окружающей контейнер из огнеупорного материала. Индукционные печи используются на большинстве современных литейных заводов как более чистый метод плавки металлов, чем отражательная печь или вагранка . Размеры варьируются от килограмма вместимости до ста тонн. Индукционные печи во время работы часто издают пронзительный вой или гудение, в зависимости от их рабочей частоты. Переплавляемые металлы включают железо и сталь , медь, алюминий и драгоценные металлы . Поскольку это чистый и бесконтактный процесс, его можно использовать в вакууме или инертной атмосфере. Вакуумные печи используют индукционный нагрев для производства специальных сталей и других сплавов, которые окисляются при нагревании в присутствии воздуха.
Аналогичный процесс меньшего масштаба используется для индукционной сварки. Пластмассы также можно сваривать индукцией, если они легированы ферромагнитной керамикой (где магнитный гистерезис частиц обеспечивает необходимое тепло) или металлическими частицами.
Таким способом можно сваривать швы труб. Токи, индуцированные в трубке, проходят вдоль открытого шва и нагревают края, в результате чего температура становится достаточно высокой для сварки. На этом этапе края шва сжимаются и шов сваривается. Радиочастотный ток также можно подать на трубку с помощью щеток, но результат все тот же — ток течет по открытому шву, нагревая его.
В процессе аддитивной печати металлом Rapid Induction Printing сырье проводящей проволоки и защитный газ подаются через спиральное сопло, подвергая сырье индукционному нагреву и выбрасыванию из сопла в виде жидкости, чтобы отказаться от защиты и сформировать трехмерное изображение. металлические конструкции. Основным преимуществом использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно более высокая эффективность использования энергии и материалов , а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание , при которых тепло доставляется к материалу с помощью мощного нагревателя. лазерный или электронный луч.
При индукционной готовке индукционная катушка внутри варочной панели нагревает железное основание посуды за счет магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (индукционная плита сама не нагревается) и скорость. Кастрюли из цветных металлов, такие как кастрюли с медным дном и алюминиевые кастрюли, как правило, не подходят. Благодаря теплопроводности тепло, образующееся в основании, передается находящимся внутри продуктам. [1]
Индукционная пайка часто используется при больших объемах производства. Он дает однородные результаты и очень повторяемы. Существует множество видов промышленного оборудования, в котором применяется индукционная пайка. Например, индукция используется для припайки карбида к валу.
Индукционный нагрев используется при укупорке крышек емкостей в пищевой и фармацевтической промышленности. На горлышко бутылки или банки накладывают слой алюминиевой фольги и нагревают индукционным способом, чтобы приклеить ее к контейнеру. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, поскольку для изменения содержимого необходимо сломать фольгу. [2]
Индукционный нагрев часто используется для нагрева предмета, вызывающего его расширение перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагреваются таким способом с использованием сетевой частоты (50/60 Гц) и ламинированного стального сердечника трансформаторного типа, проходящего через центр подшипника.
Индукционный нагрев часто используется при термообработке металлических изделий. Наиболее распространенными применениями являются индукционная закалка стальных деталей, индукционная пайка /пайка твердым припоем как средство соединения металлических компонентов и индукционный отжиг для избирательного смягчения участка стальной детали.
Индукционный нагрев может обеспечить высокую плотность мощности, что позволяет за короткое время достичь необходимой температуры. Это обеспечивает жесткий контроль над рисунком нагрева, при этом рисунок довольно точно повторяет приложенное магнитное поле, а также позволяет уменьшить тепловые искажения и повреждения.
Эту способность можно использовать при закалке для изготовления деталей с различными свойствами. Наиболее распространенным процессом закалки является локальная поверхностная закалка области, которая нуждается в износостойкости, сохраняя при этом прочность исходной структуры, если это необходимо в других местах. Глубину индукционно закаленных рисунков можно контролировать путем выбора частоты индукции, плотности мощности и времени взаимодействия.
Ограничения гибкости процесса возникают из-за необходимости производить специальные индукторы для многих применений. Это довольно дорого и требует распределения тока высокой плотности в небольших медных индукторах, что может потребовать специального проектирования и «медной установки».
Индукционный нагрев используется в машинах для литья пластмасс под давлением . Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в корпусе машины, что сокращает время прогрева и потребление энергии. Индукционную катушку можно разместить вне теплоизоляции , поэтому она работает при низких температурах и имеет длительный срок службы. Используемая частота варьируется от 30 кГц до 5 кГц, уменьшаясь для более толстых стволов. Снижение стоимости инверторного оборудования сделало индукционный нагрев все более популярным. Индукционный нагрев также можно применять к формам, обеспечивая более равномерную температуру формы и улучшая качество продукции. [3]
Индукционный нагрев используется для получения биоугля при пиролизе биомассы. Тепло генерируется непосредственно в стенках шейкер-реактора, что позволяет осуществлять пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры. [4]
Базовая установка представляет собой источник питания переменного тока, который обеспечивает электричество низкого напряжения , но очень высокого тока и высокой частоты. Нагреваемая деталь помещается внутри воздушной катушки , приводимой в действие источником питания, обычно в сочетании с резонансным конденсатором для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в заготовке.
Частота индуктивного тока определяет глубину проникновения индуцированных вихревых токов в заготовку. В простейшем случае сплошного круглого стержня индуцированный ток экспоненциально убывает от поверхности. Глубину проникновения , на которой будет сконцентрировано 86% мощности, можно определить как , где – глубина в метрах, – удельное сопротивление заготовки в ом-метрах, – безразмерная относительная магнитная проницаемость заготовки, – частота переменного поля в Гц. Поле переменного тока можно рассчитать по формуле . [5] Эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность являются функцией диаметра заготовки на базовой глубине и быстро возрастают примерно до . [6] Поскольку диаметр заготовки фиксируется приложением, значение определяется базовой глубиной. Уменьшение опорной глубины требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания увеличивается с увеличением частоты, их часто оптимизируют для достижения критической частоты, при которой . При работе на частоте ниже критической эффективность нагрева снижается, поскольку вихревые токи с обеих сторон заготовки сталкиваются друг с другом и нейтрализуются. Увеличение частоты сверх критической частоты приводит к минимальному дальнейшему повышению эффективности нагрева, хотя оно используется в приложениях, требующих термической обработки только поверхности заготовки.
Относительная глубина меняется в зависимости от температуры, поскольку удельное сопротивление и проницаемость изменяются в зависимости от температуры. Для стали относительная проницаемость падает до 1 выше температуры Кюри . Таким образом, эталонная глубина может изменяться в зависимости от температуры в 2–3 раза для немагнитных проводников и в 20 раз для магнитных сталей. [7]
Магнитные материалы улучшают процесс индукционного нагрева благодаря гистерезису . Материалы с высокой проницаемостью (100–500) легче нагревать индукционным нагревом. Гистерезисный нагрев происходит ниже температуры Кюри, при которой материалы сохраняют свои магнитные свойства. Полезна высокая проницаемость детали ниже температуры Кюри. На нагрев заготовки влияют разность температур, масса и теплоемкость.
На передачу энергии индукционного нагрева влияет расстояние между катушкой и заготовкой. Потери энергии происходят за счет теплопроводности от заготовки к приспособлению, естественной конвекции и теплового излучения .
Индукционная катушка обычно изготавливается из медных трубок и охлаждающей жидкости . Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и диаграмму поля.
Печь состоит из круглого пода, в котором находится плавимая шихта в форме кольца. Металлическое кольцо имеет большой диаметр и магнитно связано с электрической обмоткой, питаемой от источника переменного тока. По сути, это трансформатор, в котором нагреваемый заряд образует одновитковую вторичную обмотку короткого замыкания и магнитно связан с первичной обмоткой железным сердечником.
